WPŁYW ZŁOśONOŚCI MODELU KIEROWCY NA WYNIKI SYMULACJI WYPADKÓW DROGOWYCH

WPŁYW ZŁOśONOŚCI MODELU KIEROWCY NA WYNIKI SYMULACJI WYPADKÓW DROGOWYCH

M

G

, E

Ś

, D

T

, W

W

, P

P

Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska

e-mail: marek.gzik@polsl.pl, eugeniusz.switonski@polsl.pl, dagmara.tejszerska@polsl.pl, wojciech.wolanski@polsl.pl, pawel.potkowa@polsl.pl

Streszczenie. W pracy przeprowadzono analizę porównawczą modeli kierowcy, o róŜnym stopniu złoŜoności na podstawie symulacji komputerowych wypadków drogowych. Przeprowadzone badania pozwoliły ocenić wpływ załoŜeń upraszczających modelu na wyniki analizy wypadków samochodowych, a porównanie wyników poszczególnych symulacji umoŜliwiło oszacowanie róŜnic pomiędzy przypadkami zderzeń dla róŜnego stopnia złoŜoności modelu kierowcy.

1. WSTĘP

Na podstawie badań statystycznych opracowano zestawienie najczęstszych przyczyn zgonów osób w róŜnym wieku rys.1. Badania ujawniały, Ŝe w grupie od 5 do 25 lat wypadki drogowe dominują wśród przyczyn urazów i zgonów. Jest to grupa młodych osób o duŜym potencjale produkcyjnym, których wypadki często eliminują z Ŝycia społecznego. Koszty wypadków, leczenia oraz rehabilitacji decydują o podejmowanych przedsięwzięciach w celu poprawy bezpieczeństwa uŜytkowników dróg. Modelowanie w biomechanice zderzeń jest jednym z dynamicznie rozwijających się elementów w strategii ochrony przed urazami.

Rys. 1. Najczęstsze przyczyny zgonu osób w róŜnym wieku [7]

Zestawienie liczby wypadków drogowych w Polsce w latach 1998-2006 przedstawia tab. 1.

Liczby pokazują, Ŝe mimo ogromnego rozwoju motoryzacji w Polsce, zwiększenia liczby pojazdów poprawa bezpieczeństwa w ruchu drogowym jest zauwaŜalna we wszystkich kategoriach. Na taki stan rzeczy ma wpływ wiele czynników, jednak do najwaŜniejszych moŜna zaliczyć rozwiązania infrastruktury dróg, poprawa bezpieczeństwa biernego podróŜujących pojazdami za sprawą między innymi takich rozwiązań jak: poduszki powietrzne, pirotechniczne napinacze pasów, strefy kontrolowanego zgniotu.

Tabela 1. Liczba wypadków drogowych w Polsce w latach 1998-2006 [4]

Rok Liczba

wypadków Liczba zabitych Liczba rannych

2006 45 844 5103 57930

2005 48 100 5444 61191

2004 51 069 5 712 64 661

2003 51 078 5 640 63 900

2002 53 559 5 827 67 498

2001 53 799 5 534 68 194

2000 57 331 6 294 71 638

1999 55 106 6 730 68 449

1998 61 588 7 080 77 560

2. MODELE KIEROWCY

Badania modelowe wypadków komunikacyjnych są wciąŜ rozwijane i udoskonalane w poszukiwaniu coraz to bardziej szczegółowych modeli, na podstawie których będzie moŜna uzyskiwać wyniki porównywalne z rzeczywistymi [6]. Modele te bazują głównie na matematycznych równaniach opisujących ruch elementów traktowanych jako sztywne bryły połączone przegubami oraz elementami spręŜysto-tłumiącymi. Taką metodologię zastosowano równieŜ w prezentowanych badaniach [2]. Badania zostały przeprowadzone na podstawie modeli numerycznych sformułowanych przy uŜyciu aplikacji Working Model 2D.

W procesie formułowania modeli kierowcy przyjęto następujące załoŜenia upraszczające:

• Model kierowcy odpowiada cechami fizycznymi męŜczyźnie o masie 75kg. Uwzględnia główne części budowy anatomicznej: głowę, kręgosłup, klatkę piersiową, kończyny górne i dolne,

• uwzględnione części budowy anatomicznej połączone zostały przegubowo oraz elementami spręŜysto – tłumiącymi w otwarty łańcuch kinematyczny,

• elementy spręŜysto - tłumiące reprezentują sumaryczne oddziaływanie więzadeł dysków międzykręgowych oraz mięśni, traktowane jako elementy liniowo spręŜyste,

• model kierowcy został umieszczony w pojeździe w pozycji gdzie części ciała wzajemnie ustawione zostały w sposób właściwy względem samochodu, a połączenie kierowcy z samochodem zrealizowano za pośrednictwem elementów spręŜysto – tłumiących reprezentujących pasy bezpieczeństwa,

• analizowano ruch w płaszczyźnie strzałkowej oraz czołowej.

2.1. Modele kierowcy w płaszczyźnie strzałkowej

RóŜnica w budowie modeli dotyczy uszczegółowienia w rozbudowanym modelu budowy klatki piersiowej. W przypadku modelu uproszczonego klatka piersiowa jest reprezentowana jedynie przez dwa elementy, natomiast model rozbudowany uwzględnia dwanaście kręgów piersiowych, Ŝebra oraz mostek (rys.2).

a)

Y

X

b)

Y

X

Rys. 2. Model kierowcy w płaszczyźnie strzałkowej:

a), uproszczony b) rozbudowany

Modele zostały zweryfikowane w oparciu o dostępne dane literaturowe [4] i posłuŜyły do określenia miejsc najbardziej podatnych na urazy podczas przedniego zderzenia samochodu.

Wynik walidacji modeli w płaszczyźnie strzałkowej pokazano na rysunku 3 i 4.

a) b) c)

Rys. 3. Poziome przemieszczenie środka cięŜkości głowy w funkcji czasu podczas wypadku:

a) z uproszczonego modelu, b) z rozbudowanego modelu c) z badań doświadczalnych

a) b) c)

Rys. 4. Pionowe przemieszczenie środka cięŜkości głowy w funkcji czasu podczas wypadku:

a) z uproszczonego modelu, b) z rozbudowanego modelu c) z badań doświadczalnych

W pierwszej fazie ruchu (rys.3 a i b oraz rys.4 a i b) kierowca wykonuje jedynie ruch do przodu, w kolejnych uwidoczniony jest ruch fleksyjny głowy. Jest to związane z zadziałaniem pasów bezpieczeństwa, które zatrzymują ruch tułowia. Symulację przeprowadzono dla prędkości w chwili zderzenia 8km/h, co odpowiada warunkom eksperymentów na ochotnikach.

2.2. Modele kierowcy w płaszczyźnie czołowej

a) b)

Rys. 5. Model kierowcy w płaszczyźnie czołowej:

a), uproszczony b) rozbudowany

Modele kierowcy w płaszczyźnie czołowej (rys.5) zostały zweryfikowane w oparciu o dostępne dane literaturowe [1,4] i posłuŜyły do określenia miejsc najbardziej podatnych na urazy podczas bocznego zderzenia samochodu. Wyniki walidacji modeli w płaszczyźnie czołowej pokazano na rysunku 6.

Rys. 6. Zderzenie boczne - przebieg prędkości w funkcji czasu [1,4]:

a) b)

a) National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), b) test FMVSS 214, c) wyniki symulacji numerycznych dla modelu uproszczonego,

d) wyniki symulacji numerycznych dla modelu rozbudowanego 3. WYNIKI SYMULACJI WYPADKÓW DROGOWYCH

Dla modeli samochodów przedstawionych na rys.7 wraz z uproszczonym i rozbudowanym modelem kierowcy przeprowadzono szereg symulacji wypadków samochodowych w płaszczyźnie czołowej i strzałkowej przy róŜnych prędkościach zderzeń.

a)

b)

Rys. 7. Model pojazdu wraz z kierowcą: a) model uproszczony, b) model rozbudowany

3.1. Symulacja wypadków w płaszczyźnie strzałkowej

a)

b)

y(t) x(t)

y(t) x(t)

Rys. 8. Zderzenie czołowe przy prędkości 80 km/h, przemieszczenie środka cięŜkości głowy:

a) w modelu uproszczonym, b) modelu rozbudowanym

Symulacje zachowania kierowcy podczas ruchu w płaszczyźnie strzałkowej (rys.8) oraz czołowej (rys.9) przeprowadzono przy załoŜeniu prędkości w chwili zderzenia 80km/h.

3.2. Symulacja wypadków oraz ruch kierowcy w płaszczyźnie czołowej

a) b)

Rys. 9. Porównanie zachowania dwóch modeli w warunkach wypadku zderzenia bocznego przy prędkości 80km/h

4. ANALIZA WYNIKÓW

Przeprowadzona analiza pozwoliła na wyznaczenie parametrów ruchu (przemieszczeń, prędkości, przyspieszeń) uŜytkownika pojazdu oraz sił działających na jego struktury anatomiczne, a takŜe ocenę moŜliwości odniesienia obraŜeń będących efektem wypadków samochodowych. Wyniki uzyskane dla modeli rozbudowanych przedstawiają rysunki 10-12,.

a)

0 2000 4000 6000

Siła [N]

C6 - C7 C5 - C6 C4 - C5 C3 - C4 C2 - C3 C1 - C2 H - C1

Poziom kręgosłupowy kręgosłupowy

160km/h 120km/h 80km/h 8km/h

b)

0 5000 10000 15000

Siła [N]

C6 - C7 C5 - C6 C4 - C5 C3 - C4 C2 - C3 C1 - C2 H - C1

Poziom kręgosłupowy kręgosłupowy

100km/h 80km/h 50km/h

Rys. 10. Maksymalne siły w kręgosłupie szyjnym na róŜnych poziomach C1-C7: a) podczas zderzenia czołowego przy róŜnych prędkościach,

b) podczas zderzenia bocznego przy róŜnych prędkościach

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Siła [N]

C7 - Th1 Th1 - Th2 Th2 - Th3 Th3 - Th4 Th4 - Th5 Th5 - Th6 Th6 - Th7 Th7 - Th8 Th8 - Th9 Th9 - Th10 Th10 - Th11 Th11 - Th12 Poziom kręgosłupowy kręgosłupowy

8km/h 80km/h 120km/h 160km/h

Rys. 11. Maksymalne siły w kręgosłupie piersiowym na róŜnych poziomach Th1-Th12:

a) podczas zderzenia czołowego przy róŜnych prędkościach, b) podczas zderzenia bocznego przy róŜnych prędkościach

a)

0 500 1000 1500 2000

Siła [N]

Th12-L1

L1 - L2

L2 - L3

L3 - L4

L4 - L5

L5 - S1

Poziom kręgosłupowy

8km/h 80km/h 120km/h 160km/h

b)

0 500 1000 1500 2000

Siła [N]

Th12-L1

L1 - L2

L2 - L3

L3 - L4

L4 - L5

L5 - S1

Poziom kręgosłupowy

50km/h 80km/h 100km/h

Rys. 12. Maksymalne siły w kręgosłupie lędźwiowym na róŜnych poziomach L1-S1:

a) podczas zderzenia czołowego przy róŜnych prędkościach, b) podczas zderzenia bocznego przy róŜnych prędkościach

Uzyskane rezultaty dowodzą, Ŝe jedynie podczas zderzenia przy prędkości 8km/h warunki są bezpieczne dla kierowcy, dla pozostałych symulacji ryzyko odniesienia urazów kręgosłupa znacznie wzrasta. Podczas zderzeń czołowych przy prędkościach: 80 km/h, 120km/h, 160km/h wartości sił wewnętrznych znacznie przekraczają dopuszczalną wartość 3,6 KN, co odpowiada poziomowi 6 w skali AIS. Podczas zderzeń przy duŜych prędkościach bardziej obciąŜony jest odcinek połączenia głowy z kręgosłupem. Przy zderzeniach bocznych prędkość powyŜej 50 km/h wiąŜe się z duŜym ryzykiem powaŜnych urazów. Uzyskane rezultaty

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Siła [N]

C7 - Th1 Th1 - Th2 Th2 - Th3 Th3 - Th4 Th4 - Th5 Th5 - Th6 Th6 - Th7 Th7 - Th8 Th8 - Th9 Th9 - Th10 Th10 - Th11 Th11 - Th12 Poziom kręgosłupowy kręgosłupowy

50km/h 80km/h 100km/h

wskazują na znaczne przekroczenie wartości dopuszczalnych sił obciąŜających kręgosłup.

Wartości dopuszczalnych sił ściskających wyznaczone eksperymentalnie wynoszą dla odcinka piersiowego 4,5 KN natomiast dla lędźwiowego 5KN [2].

5. WNIOSKI

W pracy sformułowano cztery dwuwymiarowe dynamiczne modele kierowcy, które następnie zostały wykorzystane do analizy zachowania człowieka oraz sił wewnętrznych jakie pojawiają się w wypadkach samochodowych zderzeniach czołowych i bocznych. Badania ujawniły, Ŝe stopień złoŜoności modelu ma istotny wpływ na realistyczne zachowanie kierowcy w analizowanych sytuacjach oraz na dynamiczne siły jakie pojawiają się w częściach anatomicznej budowy. Model rozbudowany, w którym dwu elementowy tułów został zastąpiony elementami reprezentującymi kręgi piersiowe, Ŝebra oraz mostek pozwolił na uzyskanie bardziej realistycznych zachowań kierowcy. Model następnie wykorzystano do analizy sił jakie pojawiają się w kręgosłupie człowieka podczas wypadków przy róŜnych prędkościach zderzeń. Badania wykazały, Ŝe zderzenia boczne są bardziej niebezpieczne w aspekcie urazów kręgosłupa od zderzeń czołowych. Prędkości zderzeń powyŜej 50km/h wiąŜą się z duŜym ryzykiem powaŜnych urazów.

LITERATURA

1. Du Bois P., Chou C. C., Fileta B. B., Khalil T. B., King A. I., Mahmood H. F., Mertz H. J., Wismans J.: Vehicle crashworthiness and occupant protection, Automotive Applications Committee, American Iron and Steel Institute, Southfield, Michigan, 2004.

2. Gzik M.: Biomechanika kręgosłupa człowieka, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007.

3. Happee R., Hoofman M.,Van den Kroonenberg A. J., Morsink P., Wismans J., A mathematical human body model for frontal and rearward seated automotive impact loading, SAE 983150, Technical Paper Series 1998.

4. Insurance Institute for Highway Safety. Crashworthiness Evaluation. Side Impact Crash Test Protocol (Version IV), August 2005.

5. Raport Wydziału Profilaktyki w Ruchu Drogowym Komendy Głównej Policji: Wypadki drogowe 2006.

6. Silva M.P.T., Ambrosio J.A.C., Pereira M.S.: Biomechanical model with joint resistance for impact simulation, Multibody System Dynamics, vol.1, no.1, 1997.

7. Wismans J., Janssen E., Beusenberg M.: „Injury Biomechanics - course notes”. Eindhoven University of Technology, Eindhoven 1994.

INFLUENCE OF THE DRIVER MODEL COMPLICATION ON RESULTS OF ROAD ACCIDENTS SIMULATIONS

Summary. The comparative analysis of results simulations for the various configurations of driver model was conducted in the paper. Four models were created in order to realization of research aims. Carried out researches allowed to estimate the influence of the model accuracy on the obtained results. Models of

driver were used to analysis of internal forces which are appeared in human spine during different car accidents.